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技術剖析:詳解毫米波技術及芯片

日期:2020/8/13 10:34:26
摘要:由于毫米波器件的成本較高, 之前主要應用于軍事。 然而隨著高速寬帶無線通信、汽車輔助駕駛、安檢、醫學檢測等應用領域的快速發展,近年來毫米波在民用領域也得到了廣泛的研究和應用。

目前,6 GHz 以下的黃金通信頻段, 已經很難得到較寬的連續頻譜,嚴重制約了通信產業的發展。

相比之下,毫米波頻段卻仍有大量潛在的未被充分利用的頻譜資源。 因此, 毫米波成為第5 代移動通信的研究熱點。 2015 年在WRC2015 大會上確定了第5 代移動通信研究備選頻段: 24.25-27.5 GHz、37-40.5GHz、42.5-43.5 GHz、45.5-47 GHz、47.2-50.2 GHz、50.4-52.6 GHz、66-76 GHz 和81-86 GHz, 其中31.8-33.4 GHz、40.5-42.5 GHz 和47-47.2 GHz 在滿足特定使用條件下允許作為增選頻段。 各種毫米波的器件、芯片以及應用都在如火如荼的開發著。 相對于微波頻段, 毫米波有其自身的特點。 首先, 毫米波具有更短的工作波長, 可以有效減小器件及系統的尺寸;_其次, 毫米波有著豐富的頻譜資源,可以勝任未來超高速通信的需求。 此外, 由于波長短, 毫米波用在雷達、成像等方面有著更高的分辨率。 到目前為止, 人們對毫米波已開展了大量的研究, 各種毫米波系統已得到廣泛的應用。 隨著第5 代移動通信、汽車自動駕駛、安檢等民用技術的快速發展, 毫米波將被廣泛應用于人們日常生活的方方面面。

毫米波

毫米波技術方面, 結合目前一些熱門的毫米波頻段的系統應用, 如毫米波通信、毫米波成像以及毫米波雷達等, 對毫米波芯片發展做了重點介紹。

1、毫米波芯片

傳統的毫米波單片集成電路主要采用化合物半導體工藝, 如砷化鎵(GaAs)、磷化銦(InP) 等, 其在毫米波頻段具有良好的性能, 是該頻段的主流集成電路工藝。 另一方面, 近十幾年來硅基(CMOS、SiGe等) 毫米波亞毫米波集成電路也取得了巨大進展。 此外, 基于氮化鎵(GaN) 工藝的大功率高頻器件也迅速拓展至毫米波頻段。 下面將分別進行介紹。

1.1 GaAs 和InP 毫米波芯片

近十幾年來, GaAs 和InP 工藝和器件得到了長足的進步。 基于該類工藝的毫米波器件類型主要有高電子遷移率晶體管(HEMT)、改性高電子遷移率晶體管(mHEMT) 和異質結雙極性晶體管(HBT)等。 目前GaAs 、mHEMT、InP、 HEMT 和InP HBT 的截止頻率(ft) 均超過500 GHz, 最大振蕩頻率(fmax) 均超過1THz. 2015 年美國Northrop Grumman 公司報道了工作于0.85 THz 的InP HEMT放大器, 2013 年美國Teledyne 公司與加州理工大學噴氣推進實驗室報道了工作至0.67 THz 的InP HBT 放大器, 2012 年和2014 年德國弗朗霍夫應用固體物理研究所報道了工作頻率超過0.6 THz 的mHEMT 放大器。

1.2 GaN 毫米波芯片

GaN 作為第3 代寬禁帶化合物半導體, 具有大的禁帶寬度、高的電子遷移率和擊穿場強等優點,器件功率密度是GaAs 功率密度的5 倍以上, 可顯著地提升輸出功率, 減小體積和成本。 隨著20 世紀90 年代GaN 材料制備技術的逐漸成熟, GaN 器件和電路已成為化合物半導體電路研制領域的熱點方向, 美國、日本、歐洲等國家將GaN 作為微波毫米波器件和電路的發展重點。 近十年來, GaN 的低成本襯底材料碳化硅(SiC) 也逐漸成熟, 其晶格結構與GaN 相匹配,導熱性好, 大大加快了GaN 器件和電路的發展。 近年來GaN 功率器件在毫米波領域飛速發展, 日本Eudyna 公司報道了0.15 m 柵長的器件, 在30 GHz 功率輸出密度達13.7 W/mm. 美國HRL 報道了多款E波段、W 波段與G 波段的GaN 基器件, W 波段功率密度超過2 W/mm, 在180 GHz 上功率密度達到296 mW/mm.國內在微波頻段的GaN 功率器件已基本成熟,到W 波段的GaN 功率器件也取得進展。 南京電子器件研究所研制的Ka 波段GaN 功率MMIC 在3436 GHz 頻帶內脈沖輸出功率達到15W, 附加效率30%, 功率增益大于20 dB。

1.3 硅基毫米波芯片

硅基工藝傳統上以數字電路應用為主。 隨著深亞微米和納米工藝的不斷發展, 硅基工藝特征尺寸不斷減小, 柵長的縮短彌補了電子遷移率的不足, 從而使得晶體管的截止頻率和最大振蕩頻率不斷提高, 這使得硅工藝在毫米波甚至太赫茲頻段的應用成為可能。 國際半導體藍圖協會(InternaTIonal Technology Roadmap for Semiconductors) 預測到2030 年CMOS 工藝的特征尺寸將減小到5 nm, 而截止頻率ft 將超過700 GHz. 德國IHP 研究所的SiGe 工藝晶體管的截止頻率ft 和最大振蕩頻率fmax都已經分別達到了300 GHz 和500 GHz,相應的硅基工藝電路工作頻率可擴展到200 GHz 以上。

由于硅工藝在成本和集成度方面的巨大優勢, 硅基毫米波亞毫米波集成電路的研究已成為當前的研究熱點之一。 美國佛羅里達大學設計了410 GHz CMOS 振蕩器,加拿大多倫多大學研制了基于SiGe HBT 工藝的170 GHz 放大器、160 GHz 混頻器和基于CMOS 工藝的140 GHz 變頻器,美國加州大學圣芭芭拉分校等基于CMOS 工藝研制了150 GHz 放大器等,美國康奈爾大學基于CMOS 工藝研制了480 GHz 倍頻器。 在系統集成方面, 加拿大多倫多大學設計了140 GHz CMOS接收機芯片和165 GHz SiGe 的片上收發系統, 美國加州大學柏克萊分校首次將60 GHz 頻段硅基模擬收發電路與數字基帶處理電路集成在一塊CMOS 芯片上,新加坡微電子研究院也實現了包括在片天線的60 GHz CMOS 收發信機芯片,美國加州大學洛杉磯分校報道了0.54 THz 的頻率綜合器, 德國烏帕塔爾綜合大學研制了820 GHz 硅基SiGe 有源成像系統, 加州大學伯克利分校采用SiGe 工藝成功研制了380 GHz 的雷達系統。日本NICT 等基于CMOS 工藝實現了300 GHz的收發芯片并實現了超過10 Gbps 的傳輸速率, 但由于沒有功率放大和低噪聲電路, 其傳輸距離非常短。 通過采用硅基技術, 包含數字電路在內的所有電路均可集成在單一芯片上, 因此有望大幅度降低毫米波通信系統的成本。

在毫米波亞毫米波硅基集成電路方面我國大陸起步稍晚, 但在國家973 計劃、863 計劃和自然科學基金等的支持下, 已快速開展研究并取得進展。 東南大學毫米波國家重點實驗室基于90 nm CMOS 工藝成功設計了Q、V 和W 頻段放大器、混頻器、VCO 等器件和W 波段接收機、Q波段多通道收發信機等, 以及到200 GHz 的CMOS 倍頻器和到520 GHz 的SiGe 振蕩器等。

2、毫米波電真空器件

毫米波集成電路具有體積小、成本低等很多優點,但功率受限。 為了獲得更高的輸出功率, 可以采用電真空器件, 如加拿大CPI 公司研制的速調管(Klystron) 在W 波段上獲得了超過2000 W 的脈沖輸出功率, 北京真空電子研究所研制的行波管(TWT) 放大器在W 波段的脈沖輸出功率超過了100 W,電子科技大學在W 波段上也成功設計了TWT 功率放大器, 中國科學院合肥物質科學研究院研制的迴旋管(Gyrotron) 在140 GHz 上獲得了0.9 MW 的脈沖輸出功率, 與國外水平相當。

3、毫米波應用

近年來, 毫米波器件性能的不斷提高, 成本的不斷降低, 有力促進了毫米波在各個領域的應用。 目前基于毫米波頻段的應用主要體現在毫米波通信、毫米波成像及毫米波雷達等方面。

3.1 毫米波通信

隨著無線通信技術的飛速發展, 6 GHz 以下黃金通信頻段的頻譜已經非常擁擠, 很難滿足未來無線高速通信的需求。 然而, 與此相反的是, 在毫米波頻段, 頻譜資源豐富但仍然沒有得到充分的開發利用。

在移動通信方面,探索了毫米波移動通信系統場景、網絡結構及空中接口。 在目前開展的第5 代移動通信(5G) 研究中, 幾個毫米波頻段已經成為5G 候選頻段。毫米波技術將會在5G的發展中起著舉足輕重的作用。

在短距高速通信系統中, 60 GHz 頻段得到了廣泛地研究和應用。 歐洲、美國、加拿大、韓國、日本、澳大利亞以及我國陸續開放了這一頻段的免費頻譜資源。 60 GHz 頻段處于大氣衰減峰, 雖然不適合遠距通信, 但可用于短距離傳輸, 且不會對周圍造成太多干擾。 近年來, 在60 GHz 頻段已發展了高速Gbps 通信、WirelessHD、WiGig、近場通訊、IEEE 802.11ad 、IEEE802.15.3c等各種系統與標準。

國內東南大學提出了工作在45 GHz 頻段的超高速近遠程無線傳輸標準(Q-LINKPAN) ,其短距部分已成為IEEE 802.11aj 國際標準。 45 GHz 頻段的大氣衰減小于1 dB/km, 因此不僅可以像60 GHz 頻段一樣實現高速短距傳輸, 同時也適用于遠距傳輸。 目前實驗系統在82 m 的傳輸距離上已實現2 Gbps 的傳輸速率, 并研制了相應的支持Gbps 傳輸的毫米波芯片。

衛星通信覆蓋范圍廣,是保障偏遠地區和海上通信以及應急通信的重要手段,目前其工作頻段主要集中在L、S、C、Ku 及Ka 波段。 隨著衛星通信研究的不斷深入,已在嘗試更高頻段。 因為毫米波頻段可以提供更寬的帶寬, 因而可實現更高的通信速率。 此外, 低功耗、小體積、抗干擾以及較高的空間分辨率都是其值得利用的特點。 目前衛星與地面通信的主要研究方向集中在兩個大氣衰減較小的窗口,Q 頻段和W 頻段, 而60 GHz 頻段被認為是實現星間通信的重要頻段。

此外, 毫米波光載無線通信(RoF) 系統也得到了迅速的發展。 光纖具有成本低、信道帶寬大、損耗小、抗干擾能力強等優點, 成為現代通信系統中不可或缺的部分。 正如上文提到的, 毫米波具有傳輸容量大、體積小等優點, 但也有空間傳輸損耗大等缺點。 毫米波RoF 系統結合了毫米波和光纖通信的優點, 是實現寬帶毫米波通信遠距離傳輸的有效手段。 自從1990 年光載無線通信的概念被提出之后,這個領域目前在毫米波頻段成為了研究熱點,很多研究小組在不同的毫米波頻段進行了研究, 比如60 GHz 、75-110 GHz、120 GHz 、220 GHz、250 GHz 等。

3.2 毫米波成像

利用毫米波穿透性、安全性等優點, 毫米波成像可有效地對被檢測物體進行成像, 在國家安全、機場安檢、大氣遙感等方面得到了廣泛的研究, 根據成像機理分為被動式成像和主動式成像。毫米波被動式成像是通過探測被測物自身的輻射能量, 并分辨不同物質輻射強度的差異來實現成像。 被動式成像從機理上看是一種安全的成像方式, 不會對環境造成電磁干擾, 但對信號本身的強度以及接收機的靈敏度要求較高。 國內外對毫米波被動式成像技術已開展了大量的研究。

毫米波主動式成像主要是通過毫米波源發射一定強度的毫米波信號, 通過接收被測物的反射波,檢測被測目標與環境的差異,然后進行反演成像。 主動式成像系統可以對包括塑料等非金屬物體進行檢測, 其受環境影響較小, 獲得的信息量大, 可以有效地進行三維成像。 常用的主動式成像系統主要包括焦平面成像以及合成孔徑成像。毫米波成像系統已應用于國內外許多機場的安檢。 國內上海微系統所孫曉瑋團隊研發成功了毫米波成像安檢系統, 電子科技大學樊勇團隊研制成功了毫米波動態成像系統。

3.3 毫米波雷達

毫米波雷達具有頻帶寬、波長短、波束窄、體積小、功耗低和穿透性強等特點。 相比于激光紅外探測, 其穿透性強的特點可以保證雷達能夠工作在霧雨雪以及沙塵環境中, 受天氣的影響較小。相比于微波波段的雷達, 利用毫米波波長短的特點可以有效減小系統體積和重量,并提高分辨率。 這些特點使得毫米波雷達在汽車防撞、直升機避障、云探測、導彈導引等方面具有重要的應用。

微波毫米波汽車防撞雷達主要集中在24 GHz和77 GHz 頻段上, 是未來智能駕駛或自動駕駛的核心技術之一。 在直升機毫米波防撞雷達的研究上, 人們特別關注毫米波雷達對電力線等的探測效果。

毫米波在大氣遙感方面也有很重要的應用,其中代表性的有毫米波云雷達。 毫米波云雷達主要針對降水云進行探測,,用于探測云內部宏觀和微觀參數,,反映大氣熱力及動力過程。 由于毫米波波長短,在云探測中表現出很高的測量精度和分辨率, 具有穿透含水較多的厚云層等優勢。南京信息工程大學葛俊祥團隊研制了W 波段云雷達, 北京理工大學呂昕團隊正在研制94/340 GHz 雙頻段云雷達。

除了民用, 毫米波雷達在軍事方面也有著非常重要的應用, 比如在精確制導武器中, 毫米波雷達導引是一項核心技術, 是全天候實施目標精確打擊的一種有效手段。

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